阅读说明：本技术 一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置及其操作方法 (Boron-doped diamond electrode sewage treatment experimental device and operation method thereof ) 是由 刘鲁生 姜辛 黄楠 于 2020-04-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及金刚石薄膜应用领域,尤其涉及一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置及其操作方法。按污水流向从储液罐到反应器壳体之间相通的管路上,依次连接有输液管路一、球阀一、球阀二、输液管路二、水泵、输液管路三、球阀三、输液管路四、流量计、输液管路五,输液管路一与储液罐的侧面下部连通,输液管路五与反应器壳体的侧面下部连通,反应器壳体的侧面上部通过回液管路连通到储液罐的侧面上部；在反应器壳体内,固定硼掺杂金刚石电极与移动硼掺杂金刚石电极保持平行位置于反应器壳体内的污水通道两侧。本发明可精确取得不同参数的重要实验数据,对比可以找出最佳污水处理运行方案,以优化污水厂生产运行,提高效率,节约成本。(The invention relates to the field of diamond film application, in particular to a boron-doped diamond electrode sewage treatment experimental device and an operation method thereof. According to sewage flow direction, a first infusion pipeline, a first ball valve, a second infusion pipeline, a water pump, a third infusion pipeline, a third ball valve, a fourth infusion pipeline, a flowmeter and a fifth infusion pipeline are sequentially connected to a pipeline communicated from a liquid storage tank to a reactor shell, the first infusion pipeline is communicated with the lower part of the side face of the liquid storage tank, the fifth infusion pipeline is communicated with the lower part of the side face of the reactor shell, and the upper part of the side face of the reactor shell is communicated with the upper part of the side face of the liquid storage tank through a liquid return pipeline; in the reactor shell, the fixed boron-doped diamond electrode and the movable boron-doped diamond electrode are kept in parallel at two sides of a sewage channel in the reactor shell. The invention can accurately obtain important experimental data of different parameters, and can find out the optimal sewage treatment operation scheme by comparison so as to optimize the production operation of a sewage plant, improve the efficiency and save the cost.)

一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置及其操作方法

技术领域

本发明涉及金刚石薄膜应用领域，尤其涉及一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置及其操作方法。

背景技术

随着石油化工、医药、农药和燃料工业的迅速发展，工业废水中难降解有机化合物的数量与种类与日俱增。特别是含有高浓度的芳香族化合物，如：酚类，属“三致”物质，毒性很大，用一般生物降解方法难以直接去除。在当今社会，“节能减排”已成为时代的主题，废水处理是重要的措施之一。生化法对有机污染物难以去除，因此需要辅助以电化学催化，而电极是电催化过程的核心，决定着电催化能力，电流效率以及装置的使用寿命”。目前使用的一些电极材料有很多不足之处，如：石墨电极，对有机物的催化氧化能力很差，电流效率低下；贵金属材料(如：Pt、Au 等)电极成本高且易被含硫有机物等物质毒化而丧失其电催化性能，导致氧化电流效率下降，难以应用在实际工作中。

金刚石是一种具有独特物理化学性能的材料，不易与酸碱盐发生反应，并且具有良好的化学稳定性。近年来，研究学者将其应用于电化学降解有机污水等领域，发现金刚石电极电化学性质优异，具有很宽的电势窗口和极低的背景电流。通过硼掺杂可使金刚石变为半导体或具有金属性质的导体，从而为其在电极领域的应用奠定基础。与传统电极相比，掺硼金刚石电极(BDD)电极具有窗口宽、背景电流小、电化学稳定性好、机械性能好、耐腐蚀性强、导电性好等诸多优势，在电化学氧化处理污水领域有着很好的前景。

掺硼金刚石电极(BDD)电极电解水产生羟基自由基，羟基自由基作为强氧化剂，能够快速氧化水体中的有机物，国内外的学者对不同难降解有机污染物在BDD电极上的电化学氧化过程进行了广泛地研究，例如：苯酚、氯酚、染料、苯胺、萘酚、邻苯二甲酸酯、羧酸、杀虫剂、表面活性剂、除草剂、内分泌干扰物、吡啶、聚丙烯酸盐等。因此，该电极可以应用于含有难降解有机物废水的处理。针对BDD电极在有机废水领域的良好应用前景，研究和设计与其应用配套的工业化污水处理装置十分必要。通过本实验装置可精确取得不同参数的重要实验数据，对比可以找出最佳污水处理运行方案，以优化污水厂生产运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置及其操作方法，通过本实验装置可精确取得不同参数的重要实验数据，对比可以找出最佳污水处理运行方案，以优化污水厂生产运行。

本发明的技术方案：

一种硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，按污水流向从储液罐到反应器壳体之间相通的管路上，依次连接有输液管路一、球阀一、球阀二、输液管路二、水泵、输液管路三、球阀三、输液管路四、流量计、输液管路五，输液管路一与储液罐的侧面下部连通，输液管路五与反应器壳体的侧面下部连通，反应器壳体的侧面上部通过回液管路连通到储液罐的侧面上部；

在反应器壳体内，正接线电极与固定硼掺杂金刚石电极使用导电胶粘接在一起，负接线电极与移动硼掺杂金刚石电极使用导电胶粘接在一起，固定硼掺杂金刚石电极与移动硼掺杂金刚石电极保持平行位置于反应器壳体内的污水通道两侧。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，储液罐上部依次连接引风机和排气管路，储液罐内腔设有冷却管路和测温传感器，储液罐外部设有冷水机与冷却管路相连接，测温传感器通过线路连接直流电源及电控柜的信号输入端，直流电源及电控柜的输出端通过线路连接冷水机，根据测温传感器输入的信号控制冷水机的启闭。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，直流电源及电控柜的输出端通过变频器通过线路连接水泵。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，反应器壳体内部左侧依次设有固定硼掺杂金刚石电极和橡胶背板，橡胶背板位于固定硼掺杂金刚石电极外侧，正接线电极由固定硼掺杂金刚石电极引出至反应器壳体外；反应器壳体内部右侧设有移动硼掺杂金刚石电极，负接线电极由移动硼掺杂金刚石电极引出至反应器壳体外，移动硼掺杂金刚石电极和负接线电极的一端密封在密封橡胶环中。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，移动硼掺杂金刚石电极的中上部与导向轴二固定连接，移动硼掺杂金刚石电极的中下部与导向轴一固定连接，导向轴二位于反应器壳体外的部分侧面依次设有直线轴承二、橡胶轴封二，导向轴二位于反应器壳体外的端部设置连接片，连接片的一端与螺旋提升器通过螺纹连接，螺旋提升器依次带动连接片、导向轴二和移动硼掺杂金刚石电极；导向轴一位于反应器壳体外的部分侧面依次设有直线轴承一、橡胶轴封一，导向轴一位于反应器壳体外的部分端面设置与导向轴一垂直的指针，指针与反应器壳体外侧水平设置的标尺相对应，移动硼掺杂金刚石电极的移动距离通过指针沿标尺的移动距离确定。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，导向轴一和导向轴二分别垂直固定于移动硼掺杂金刚石电极上，导向轴一和导向轴二保持平行位置。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，反应器壳体的外形为圆柱状，水平放置，其中心轴线为水平线；橡胶背板、固定硼掺杂金刚石电极为圆形片状结构，橡胶背板的一侧粘接于反应器壳体左侧内壁，固定硼掺杂金刚石电极一侧的硅片粘接于橡胶背板的另一侧，固定硼掺杂金刚石电极另一侧的硼掺杂金刚石薄膜与反应器壳体内的污水接触；移动硼掺杂金刚石电极一侧的硅片与导向轴一、导向轴二连接，移动硼掺杂金刚石电极另一侧的硼掺杂金刚石薄膜与反应器壳体内的污水接触；固定硼掺杂金刚石电极的硼掺杂金刚石薄膜与移动硼掺杂金刚石电极的硼掺杂金刚石薄膜相对设置于反应器壳体内腔中；密封橡胶环为圆筒状结构，水平放置，其中心轴线为水平线，密封橡胶环粘接于反应器壳体右侧内壁，包裹整个移动硼掺杂金刚石电极，移动硼掺杂金刚石电极为圆形片状结构，移动硼掺杂金刚石电极与密封橡胶环呈滑动配合。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，排气管路、储液罐、输液管路一、球阀一、球阀二、输液管路二、输液管路三、球阀三、输液管路四、流量计、输液管路五、反应器壳体、回液管路均为UPVC材质，冷却管路外表面和水泵内腔喷涂特氟龙防腐涂层。

所述的硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置的操作方法，包括如下步骤：

第一步，开启球阀二，并将实验用的污水与球阀二的敞开端管路相连接，关闭球阀一，开启球阀三，开启水泵将污水充入到反应器壳体中；

第二步，污水充入完成后，关闭球阀二，开启球阀一，开启冷水机和引风机，使污水在实验装置中循环流动；

第三步，启动直流电源及电控柜，设定电流和电压，通过调整水泵的电机转数调节污水流量，通过流量计获得不同参数下的流量值，通过调节螺旋提升器调整固定硼掺杂金刚石电极和移动硼掺杂金刚石电极之间的间距，通过指针和标尺获得不同的距离参数，过程中按间隔时间开启球阀二；将污水取样，检测污水的各项指标至指标合格后关机。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明设计的两片BDD电极片之间距离可调，并带有刻度显示精确距离。从而，可以有效确保在过程中可以摸索出不同成分、不同浓度的有机污水是最佳实验方案时固定硼掺杂金刚石电极与移动硼掺杂金刚石电极之间距离的最佳参数值。

2、本发明的两片BBD电极片之间距离设置污水通道，确保电极片表面上每一点的流过的污水流量相同，确保污水处理实验过程中其他实验参数值摸索过程中实验的可重复性。

3、本发明的控制系统设有变频器控制水泵电机转速，从而控制污水的流速，并配有液体流量计实时显示污水的流速。从而，可以有效确保在过程中可以摸索出不同成分、不同浓度的有机污水是最佳实验方案时，污水通过固定硼掺杂金刚石电极与移动硼掺杂金刚石电极之间水流速度的最佳参数值。

4、本发明的储液罐设有换热管线(冷却管路)，管线内有制冷液与制冷机线连接，对储液罐内液体冷却降温，储液罐上方设有排气管道，将产生的废气及时排出。制冷和排气系统能有效保证将有机污水处理过程中产生的热量和气体及时排出，保证试验正常安全运行。

附图说明

图1为本发明结构示意图。图中：1—排气管路；2—引风机；3—储液罐；4—冷却管路；5—冷水机；6—测温传感器；7—输液管路一；8—球阀一；9—球阀二； 10—输液管路二；11—水泵；12—输液管路三；13—球阀三；14—输液管路四；15—流量计；16—输液管路五；17—正接线电极；18—橡胶背板；19—固定硼掺杂金刚石电极；20—密封橡胶环；21—橡胶轴封一；22—直线轴承一；23—导向轴一；24—指针；25—标尺；26—负接线电极；27—移动硼掺杂金刚石电极；28—螺旋提升器； 29—连接片；30—导向轴二；31—橡胶轴封二；32—直线轴承二；33—反应器壳体； 34—回液管路；35—直流电源及电控柜。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。对于这些实施例的详细描述，应该理解为本领域的技术人员可以通过本发明来实践，并可以通过使用其它实施例，在不脱离所附权利要求书的精神和本发明范畴的情况下，对所示实例进行更改和/或改变。此外，虽然在实施例中公布了本发明的特定特征，但是这种特定特征可以适当进行更改，实现本发明的功能。

如图1所示，本发明硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置，该装置主要包括：排气管路1、引风机2、储液罐3、冷却管路4、冷水机5、测温传感器6、输液管路7、球阀8、球阀二9、输液管路二10、水泵11、输液管路三12、球阀三13、输液管路四14、流量计15、输液管路五16、正接线电极17、橡胶背板18、固定硼掺杂金刚石电极19、密封橡胶环20、橡胶轴封一21、直线轴承一22、导向轴一23、指针24、标尺25、负接线电极26、移动硼掺杂金刚石电极27、螺旋提升器28、连接片29、导向轴二30、橡胶轴封二31、直线轴承二32、反应器壳体33、回液管路34、直流电源及电控柜35等，具体结构如下：

按有机污水流向从储液罐3到反应器壳体33之间相通的管路上，依次连接有输液管路一7、球阀一8、球阀二9、输液管路二10、水泵11、输液管路三12、球阀三 13、输液管路四14、流量计15、输液管路五16，输液管路一7与储液罐3的侧面下部连通，输液管路五16与反应器壳体33的侧面下部连通，反应器壳体33的侧面上部通过回液管路34连通到储液罐3的侧面上部，直流电源及电控柜35的输出端通过变频器通过线路连接水泵11。

储液罐3上部依次连接引风机2和排气管路1，用于引风和排气；储液罐3内腔设有冷却管路4和测温传感器6，储液罐3外部设有冷水机5与冷却管路4相连接，测温传感器6通过线路连接直流电源及电控柜35的信号输入端，直流电源及电控柜 35的输出端通过线路连接冷水机5，根据测温传感器6输入的信号控制冷水机5的启闭。

反应器壳体33内部左侧依次设有固定硼掺杂金刚石电极19和橡胶背板18，橡胶背板18位于固定硼掺杂金刚石电极19外侧，固定硼掺杂金刚石电极19为硅片上生长一层硼掺杂金刚石薄膜构成，其作用是电解水产生羟基自由基、羟基自由基作为强氧化剂能够快速氧化水体中的有机物，正接线电极17由固定硼掺杂金刚石电极19 引出至反应器壳体33外；反应器壳体33内部右侧设有移动硼掺杂金刚石电极27，移动硼掺杂金刚石电极27为硅片上生长一层硼掺杂金刚石薄膜构成，其作用是电解水产生羟基自由基、羟基自由基作为强氧化剂能够快速氧化水体中的有机物，负接线电极26由移动硼掺杂金刚石电极27引出至反应器壳体33外，移动硼掺杂金刚石电极 27和负接线电极26的一端密封在密封橡胶环20中。

反应器壳体33的外形为圆柱状，水平放置，其中心轴线为水平线。橡胶背板 18、固定硼掺杂金刚石电极19为圆形片状结构，橡胶背板18的一侧粘接于反应器壳体33左侧内壁，固定硼掺杂金刚石电极19一侧的硅片粘接于橡胶背板18的另一侧，固定硼掺杂金刚石电极19另一侧的硼掺杂金刚石薄膜与反应器壳体33内的污水接触；移动硼掺杂金刚石电极27一侧的硅片与导向轴一23、导向轴二30连接，移动硼掺杂金刚石电极27另一侧的硼掺杂金刚石薄膜与反应器壳体33内的污水接触；固定硼掺杂金刚石电极19的硼掺杂金刚石薄膜与移动硼掺杂金刚石电极27的硼掺杂金刚石薄膜相对设置于反应器壳体33内腔中。密封橡胶环20为圆筒状结构，水平放置，其中心轴线为水平线，密封橡胶环20粘接于反应器壳体33右侧内壁，将整个移动硼掺杂金刚石电极27包裹起来，移动硼掺杂金刚石电极27为圆形片状结构，移动硼掺杂金刚石电极27与密封橡胶环20呈滑动配合，密封橡胶环20起到动密封作用。

移动硼掺杂金刚石电极27的中上部与导向轴二30固定连接，移动硼掺杂金刚石电极27的中下部与导向轴一23固定连接。其中：

导向轴二30位于反应器壳体33外的部分侧面依次设有直线轴承二32、橡胶轴封二31，直线轴承二32、橡胶轴封二31固定于反应器壳体33外侧，导向轴二30与直线轴承二32呈滑动配合，橡胶轴封二31的作用是为了防止一旦移动硼掺杂金刚石电极27与密封橡胶环20之间的密封失效时，能有效阻止污水从导向轴二30与反应器壳体33连接处泄漏，起到二次保护作用；导向轴二30位于反应器壳体33外的端部设置连接片29，连接片29的一端与螺旋提升器28通过螺纹连接，螺旋提升器 28依次带动连接片29、导向轴二30和移动硼掺杂金刚石电极27。

导向轴一23位于反应器壳体33外的部分侧面依次设有直线轴承一22、橡胶轴封一21，直线轴承一22、橡胶轴封一21固定于反应器壳体33外侧，导向轴一23与直线轴承一22呈滑动配合，橡胶轴封一21的作用是为了防止一旦移动硼掺杂金刚石电极27与密封橡胶环20之间的密封失效时，能有效阻止污水从导向轴一23与反应器壳体33连接处泄漏，起到二次保护作用；导向轴一23位于反应器壳体33外的部分端面设置与导向轴一23垂直的指针24，指针24与反应器壳体33外侧水平设置的标尺25相对应，移动硼掺杂金刚石电极27的移动距离通过指针24沿标尺25的移动距离确定。

本发明中，排气管路1、储液罐3、输液管路一7、球阀一8、球阀二9、输液管路二10、输液管路三12、球阀三13、输液管路四14、流量计15、输液管路五16、反应器壳体33、回液管路34均为UPVC材质，冷却管路4外表面和水泵11内腔喷涂特氟龙防腐涂层。

正接线电极17与固定硼掺杂金刚石电极19使用导电胶粘接在一起，负接线电极26与移动硼掺杂金刚石电极27使用导电胶粘接在一起，固定硼掺杂金刚石电极19与移动硼掺杂金刚石电极27保持平行位置。导向轴一23和导向轴二30分别垂直固定于移动硼掺杂金刚石电极27上，导向轴一23和导向轴二30保持平行位置于反应器壳体33内的污水通道两侧。

下面，通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例中，硼掺杂金刚石电极污水处理实验装置的操作方法，包括如下步骤：

第一步，开启球阀二9，并将实验用的有机污水与球阀二9的敞开端管路相连接，关闭球阀一8，开启球阀三13，开启水泵11将有机污水充入到反应器壳体33 中。

第二步，有机污水充入完成后，关闭球阀二9，开启球阀一8，开启冷水机5和引风机2，使有机污水在实验装置中循环流动。

第三步，启动直流电源及电控柜35，按实验设计方案设定好电流和电压，通过调整水泵11的电机转数调节有机污水流量，通过流量计15获得不同参数下的流量值，通过调节螺旋提升器28调整固定硼掺杂金刚石电极19和移动硼掺杂金刚石电极 27之间的间距，通过指针24和标尺25获得不同的距离参数，过程中通过2～3次按间隔时间开启球阀二9。将适量有机污水取样，检测有机污水的各项指标至指标合格后关机。

第四步，整理各项参数值，得出处理此种成分有机污水的最佳实验方案和参数值。

实施例结果表明，本发明可以通过精确取得处理不同成分的有机污水的各种不同参数的重要实验数据，对比可以找出最佳有机污水处理运行方案，以优化污水厂生产运行，提高效率，节约成本。

以上所述的仅是本发明所列举的最优实施方式。需要指出，对于本技术领域的所有技术人员，在不脱离所附权利要求书的精神和本发明所示原理的范畴情况下，还可以对所示实例进行更改和/或改变，这些改变也应被视为本发明的权利保护范围。